Femtosecond pulse induced cavitation and bubble generation in porcine and synthetic vitreous humor: The impact of focusing

눈의 깊은 곳, 수정체 뒤쪽이자 망막 앞쪽에는 유리체라고 불리는 투명하고 젤리 같은 물질이 자리 잡고 있습니다. 이 물질은 안구의 공간을 채워 형태를 유지하며, 빛이 시각이 시작되는 눈의 뒷부분으로 통과할 수 있게 해줍니다. 때때로 이 투명한 젤리에 미세한 가닥이나 덩어리들이 생겨 탁해지기도 하는데, 이것들이 망막에 그림자를 드리우면 사람의 시야를 가로질러 떠다니는 성가신 '비문증(floaters)'으로 나타납니다. 이러한 비문증은 대개 해롭지 않지만, 섬세한 망막과 매우 가까운 곳에 위치한 경우에는 시력을 심각하게 손상시킬 수 있습니다. 이를 치료하는 것은 어려운데, 덩어리를 부수는 데 사용되는 도구들이 주변의 건강한 조직을 손상시킬 위험이 있기 때문입니다. 수십 년 동안 외과의들은 10억 분의 1초 동안 지속되는 펄스를 방출하는 레이저에 의존해 왔지만, 이 펄스들은 너무 길어서 열과 충격파를 발생시키며, 이 파동이 퍼져 나갈 수 있기 때문에 의사들은 백내장이나 다른 부상을 방지하기 위해 망막으로부터 멀리 떨어져 있어야만 했습니다. 더 새로운 접근 방식은 단 몇 백 쿼드릴리언스 초(quadrillionths of a second) 동안만 지속되는 초단파 광펄스를 사용합니다. 이 펄스들은 매우 짧기 때문에 에너지를 매우 빠르게 전달하여 조직이 가열되거나 움직일 시간이 없게 만듭니다. 대신, 빛 에너지는 조직 안의 물을 즉각적으로 작고 팽창하는 기체 방울로 변화시킵니다. '공동 현상(cavitation)'이라고 알려진 이 과정은 극도로 정밀하게 비문증을 분해할 수 있지만, 이는 레이저가 힘을 잃거나 원치 않는 부작용을 만들지 않고 눈 깊숙이 초점을 맞출 수 있을 때만 가능합니다.

몬트리올 폴리테크닉(Polytechnique Montreal)의 연구진은 이러한 초단파 레이저 펄스가 유리체를 통과할 때 정확히 어떻게 행동하는지, 특히 레이저의 초점이 눈 속 깊이 들어감에 따라 어떻게 변하는지를 이해하기 위해 연구를 시작했습니다. 이를 위해 그들은 실제와 유사하면서도 다루기 더 쉬운 재료가 필요했습니다. 그들은 물, 식품에서 흔히 발견되는 증점제, 그리고 인간의 관절에서 자연적으로 발견되는 물질을 혼합하여 눈의 젤리를 모사한 합성 버전을 만들었습니다. 또한 인간의 것과 매우 유사한 돼지 눈에서 추출한 실제 유리체도 테스트했습니다. 이 재료들에 단일 레이저 펄스를 발사함으로써, 빛이 목표물에 닿았을 때 어떤 일이 일어나는지 관찰할 수 있었습니다. 연구진은 아주 적은 에너지, 즉 기존 레이저 시스템이 필요로 했던 것보다 훨씬 적은 에 에너지의 단일 광펄스만으로도 이러한 작은 방울들을 만드는 것이 가능하다는 것을 발견했습니다. 이 낮은 에너지는 레이저가 눈을 통과해 이동할 때 주변 조직을 손상시킬 가능성이 낮다는 것을 의미하므로 매우 중요합니다.

연구팀은 방울을 만들고자 하는 깊이가 매우 중요하다는 것을 발견했습니다. 레이저를 재료 더 깊은 곳에 집중시킬수록 방울은 오래 지속되지 않았으며, 생성하는 것 자체가 더 어려워졌습니다. 이는 좁고 집중된 점으로 시작하는 레이저 빔이 눈의 곡선형 층을 통과하며 이동할 때 퍼지고 흐릿해지는 경향이 있기 때문입니다. 연구진은 빛을 모으기 위해 두 가지 다른 렌즈를 테스트했습니다. 하나는 매우 좁고 날카로운 초점을 만드는 렌즈였고, 다른 하나는 더 넓고 부드러운 초점을 만드는 렌즈였습니다. 그들은 정밀도를 위해 보통 선호되는 더 조밀한 초점의 렌즈가 깊이가 깊어짐에 따라 이 퍼짐 현상으로 인해 훨씬 더 많은 피해를 입는다는 것을 발견했습니다. 이 조밀한 초점으로 만들어진 방울들은 레이저가 깊어질수록 훨씬 더 빨리 사라졌는데, 이는 에너지가 퍼져나가면서 방울을 유지하기에는 너무 약해졌음을 나타냅니다. 반면, 더 넓은 초점을 가진 렌즈는 방울의 크기가 약간 더 컸음에도 불구하고 더 깊은 곳에서도 더 일관되게 방울을 생성하는 능력을 유지했습니다.

또한 이 연구는 합성 젤과 실제 돼지 조직의 거동을 비교했습니다. 실제 조직에서의 방울이 조금 더 오래 지속되었는데, 이는 아마도 눈의 천연 구조가 물을 더 단단하게 붙잡고 있기 때문인 것으로 보이지만, 레이저가 깊어짐에 따라 방울이 행동하는 방식은 두 재료 모두에서 놀라울 정도로 유사했습니다. 이는 합성 혼합물이 새로운 레이저 기술을 환자에게 적용하기 전 테스트하는 데 신뢰할 수 있는 대역 역할을 할 수 있음을 시사합니다. 연구진은 또한 단일 발사 대신 연속적인 펄스를 빠르게 쏘는 것이 도움이 될지 조사했습니다. 그들은 빠른 연속 펄스가 방울을 만들 수는 있지만, 더 많은 총 에너지를 필요로 하며 결과의 예측 가능성을 떨어뜨려 방울이 훨씬 더 오래 지속되고 크기가 다양해진다는 것을 발견했습니다. 이러한 가변성은 일관성이 핵심인 수술 환경에서 위험할 수 있습니다.

궁극적으로, 이 연구는 이러한 첨단 레이저를 이용한 깊은 눈 수술의 근본적인 과제를 강조합니다. 즉, 외과의가 더 깊이 들어가야 할수록 레이저 빔의 형태가 변하여, 망막을 해치지 않고 비문증을 제거하는 데 필요한 정밀한 에너지 폭발을 전달하기가 더 어려워진다는 것입니다. 이번 연구 결과는 이 기술이 현재 손대기 위험한 비문증을 치료하는 데 큰 잠재력을 가지고 있지만, 렌즈의 선택과 빛이 눈을 통해 굴절되는 방식에 대한 이해가 매우 중요하다는 것을 보여줍니다. 낮은 에너지의 펄스가 효과적으로 작동할 수 있고 합성 모델이 실제 눈을 정확하게 모사할 수 있음을 보여줌으로써, 이 연구는 망막 근처의 비문증으로 고통받는 이들의 시력을 회복시켜 줄 수 있는 더 안전하고 정밀한 치료법 개발을 위한 명확한 길을 제시하고 있습니다.